基于仿真的飛機導管自動化生產線規劃設計與優化

張曦文，呂瑞強，卜 泳，鄭璐晗，李光俊，曹金豆

（1.中國航空制造技術研究院數字化制造技術航空科技重點實驗室，北京 100024；2.航空工業成都飛機工業（集團）有限責任公司，成都 610092）

導管是現代民機上重要的生命線，猶如人體的血管，它將各種介質輸送到發動機等關鍵部位，滿足燃油、環控等系統的需求[1]。導管制造是飛機制造中一個重要的環節，傳統的導管生產加工方式主要依靠人工操作，制造精度低、質量一致性差，生產周期長，難以滿足現代飛機的研制需求。導管自動化生產線通過補充必要數字化輔助裝置，利用數字化、自動化的加工制造手段保證產品的一致性、質量穩定性，提高產能以滿足現代飛機的生產需求。然而，對于自動化生產線而言，生產系統的穩定運行是產品質量、產能提升的關鍵，這就要求在生產線建設前能夠進行更加精細、科學、合理的規劃，包括合理安排空間布局以減少人員、物料、設備的轉運時間，設置穩定的生產節拍縮短生產周期等，從而保證生產線在投入使用后，能夠真正按照既定的需求進行生產。

生產線規劃仿真技術是對生產線進行分析、診斷及優化的有效解決方案。隨著生產線規劃仿真技術研究與應用的不斷發展，借助生產系統仿真平臺實施生產線投產前的建模與仿真，能夠實現對生產線產能、設備利用率、輔助材料數量、物料配送方案等問題的分析，幫助企業在生產線建設前評估其有效性和合理性，同時，通過對生產線的不斷調整和迭代優化，可以提高生產效率，降低生產成本，是企業快速適應市場需求的重要支撐[2-4]。為滿足飛機導管自動化生產線的需求，本文在介紹生產線規劃仿真技術的基礎上，對某型飛機導管自動化生產線進行規劃分析，通過仿真發現了相關問題并給出了優化方案，可以有效提升設備使用效率，縮短制造周期，滿足現代飛機導管的生產需求。

1 生產線規劃仿真技術

傳統的生產線規劃主要是依據人員的經驗，根據工廠、車間以往的產品制造能力，對產品各道工序的加工工時、裝卸工時進行估算，從而手動計算生產節拍和產能情況[5]。隨著生產線規劃問題的復雜性越來越高，傳統的人工規劃生產線方法已經難以滿足先進的制造環境，無法快速、準確、直觀地給出即將投產或改造的生產線的規劃結果。利用軟件平臺對復雜生產系統實施動態仿真，可以預先測算生產線運行情況，查找出可能發生的設備布局、物流方案、生產調度與管理等方面的問題，為生產線的規劃、運行和改造提供量化的依據。目前，市面上生產系統仿真的主流軟件有英國Lanner公司的WITNESS、西門子的Plant Simulation、達索公司的DELMIA/Quest等[6–7]。

生產線規劃仿真需要的基本數據信息包括產品單位時間內的產量需求、毛坯件或零部件來料頻率和批量以及產品的加工工藝信息，還要考慮設備資源能力、物料運輸能力、設備定期檢修頻率、零件轉運方式等生產線內部約束，以及產品換型、輔料供應等外部約束。通過建立生產線的物理模型和邏輯模型進行仿真計算，分析生產線平衡，從而評估布局規劃和物流規劃的合理性，依據結果反饋到生產線規劃仿真的輸入層，進行輸入參數調整，通過反復迭代，最終形成生產線規劃的可行或最優方案。生產線規劃仿真的基本過程如下[8–10]：

（1）產品對象和工藝分析。

針對生產線上加工的產品對象，分析其加工特點，結合生產線現有加工能力進行加工順序、加工方式、加工時間等方面的評估。

（2）資源匹配與布局。

依據產品的工藝參數與生產節拍、產能要求等生產線預期目標的比對，確定線內所需設備的種類與數量。基于生產線投入預算、運營預算、安全性、便利性等要求，結合場地約束，確定設備和各輔助資源在生產線內的布局方案。

（3）物流規劃設計。

以產品加工的工藝過程為依據，確定物料在生產線內各設備和工作臺之間的轉移方式，對產品各工序加工載體之間的物流方案進行決策，包括運送節拍、夾具、輸送方案和托盤數量的確定，初步制定物流分流策略和控制規則，確定緩沖站和倉庫容量。

（4）調度與控制優化設計。

針對加工設備的選擇、加工先后的排序，建立調度規則或調度策略，提升產能，降低成本，同時實現設備、人員、轉運裝置等生產資源的充分利用。

（5）仿真模型構建。

對生產線內各物理元素和邏輯元素分別建模，為生產線仿真提供基礎，一般利用仿真軟件完成。其中物理建模是指對生產線上的所有設備、零部件、緩存區等進行三維實體建模；邏輯模型是指實際生產中的工藝流程、人員情況、設備運行狀況及各類生產決策數據。邏輯模型可以實現生產線過程的控制及數據流的輸入輸出，確保模型運行符合生產實際中的各類狀況。仿真模型建立的準確度是生產線仿真的關鍵，將直接影響仿真的最終結果。

（6）仿真驗證與分析優化。

利用模擬仿真手段，對形成的生產線布局規劃、物流規劃和調度規劃方案進行仿真驗證和評估，檢驗其是否滿足生產線產能、節拍、平衡率等預先設定的目標要求。如果仿真結果不滿足預期要求或還有調整優化空間，可對產品工藝、布局方案、設備參數、仿真邊界條件等方面進行修改與調整，再帶入仿真模型進行驗證，經過反復迭代直到獲得滿意方案。

2 飛機導管生產線分析及仿真

2.1 零件特點分析

飛機導管具有零件種類多、加工周期短、加工工藝不同的特點，典型導管零件如圖1所示。導管零件的毛坯為直的管材，按照工藝要求加工成不同的成品零件，對成品零件進行梳理可以發現，這些零件的直徑不同，都需進行彎管加工，具有不同的彎曲數量、彎曲角度和彎曲位置，有些零件需要進行端頭加工，這些不同的成品零件組成一套，作為一架次飛機或飛機部件所用的全部導管。

本文所研究的導管自動化生產線上需加工58件不同的導管零件，且58件需按齊套性原則作為一套交付。根據導管零件的特點，由于直徑不同的導管需準備不同的毛坯料和彎管時所用的模具，同時彎曲數量不同的導管加工時間也會有所差異，因此首先將這58件導管零件按直徑和彎曲數量的不同進行統計分類，統計結果如表1所示。

2.2 工藝路線及工時分析

導管零件的毛坯為直的管材，按照工藝要求切割到規定長度進入生產線，零件在生產線中有兩種工藝路線，包括需要進行端頭加工和不需要進行端頭加工的，零件在生產線中依次完成入庫、下料、去毛刺、數控彎管、清洗、余量切割的工序，隨后根據不同零件工藝要求進行焊接或者端頭加工工序，最終進入檢測工序后實現成品出庫，工藝路線及相應零件數量如圖2所示，其中每套零件中需要進行端頭加工的零件有1個，為直徑42mm、1彎的導管。

圖1 典型導管零件Fig.1 Typical tube parts

表1 根據零件管徑及彎曲數目統計導管零件數量Table 1 Statistics of pipe diameter and number of bends 件

圖2 工藝路線Fig.2 Process route

各工序的工序時間如表2所示，其中彎管的時間根據導管彎曲數目的不同有所差異，當進行直徑不同的導管加工時，彎管機需要更換模具，每次換模時間約為30min。

2.3 生產線布局規劃

根據導管加工工藝路線，初步設計的生產線總體布局如圖3所示，物流流向整體為從左往右的方向，零件從左側的毛坯料倉進入生產線，從右上的成品料倉出線，其中綠色和藍色箭頭分別為工藝路線1、2中零件在生產線中的流轉。

毛坯庫用于毛坯直管的存放，操作人員根據排產計劃把毛坯放入毛坯庫，生產線運行過程中機器人根據運行指令抓取相應毛坯進行生產；下料單元用于毛坯管兩端的精確切割，保證長度及兩端面精度；彎管單元用于把直管彎曲成最終產品形狀；清洗單元用于把彎管過程中的潤滑物質清洗掉；切割和焊接單元用于彎曲后管件的兩端切割與法蘭焊接；端頭加工單元是人工操作工序，用于零件的端頭加工；測量單元用于成品零件的檢測；以上所有工位的零件都由生產線內的機器人進行運輸，如圖3中所示。

2.4 導管生產線建模及仿真

圖3 總體布局示意圖Fig.3 General layout diagram

本文利用DELMIA/Quest軟件進行導管生產線的建模，DELMIA/Quest是達索公司開發的離散制造過程仿真軟件，具有強大的可視化功能，可單獨操作或從其它三維設計系統中獲得模型，其實時交互能力允許用戶在運行時更改模型變量和獲取模型參數。

基于生產線總體布局建立了導管生產線的幾何模型，在此基礎上，根據產品的工藝路線、工序時間等信息建立邏輯模型，為幾何模型賦予生產數據、運行邏輯及關聯關系，實現生產線整體的仿真運行，建模結果如圖4所示。

按照每58件導管作為一套依次加工的順序，即單套齊套的原則進行仿真，經仿真，生產線內設備的使用情況如表3和圖5所示，單套齊套的工作時間為8.5h。

通過生產線內設備使用情況可知，該生產線的瓶頸工序是切割、焊接工序，其他工序的設備利用率基本是該兩工序的1/3，此外生產單位的工作時間為8h/d，如果選擇按天齊套，每天工作時間需延長到8.5h。

3 飛機導管生產線優化

3.1 布局與工藝路線優化

圖4 導管生產線Quest建模Fig.4 Quest modeling of tube production line

表3 單套齊套交付設備工作情況統計表Table 3 Equipment work statistics of single set delivery

生產線的仿真結果表明，下料、彎管單元的節拍明顯快于后續的切割、焊接單元的節拍，下料彎管區的使用率不高，具有富余產能。因此結合生產線的布局情況，將生產線劃分為節拍快的下料彎管區和節拍慢的切割焊接區，兩區可分別單獨運行，中間可以通過自動門隔斷，如圖6所示。這樣就實現了快節拍區域與慢節拍區域的分割，為設備利用率的提高提供可能。

在上述分區的基礎上，為了消除切割焊接單元瓶頸工序帶來的下料彎管單元的低利用，同時結合工廠的實際加工情況，特規劃了僅經過下料彎管單元的工藝路線3和4，并在該區域增加出線口，如圖7所示，導管零件經過去毛刺、彎管后作為半成品零件出線，后續工作在該生產線以外的其他設備或產線上完成。通過管控系統排產調度算法的合理調配，就可以利用下料彎管單元的剩余產能。

此外，由于切割和焊接是該生產線的瓶頸工序，為了保證在下料彎管單元故障時核心的切割焊接單元仍能夠正常運行，在切割焊接區增加了外部彎管入口位，通過該位置可以把外部彎完的零件輸入到切割焊接區，并在該區域獨立完成所有工序，如圖8所示。

3.2 優化仿真驗證

基于優化后的布局和工藝路線，按照按天齊套原則進行了再次仿真，仿真時間如表4所示，產能如表5所示，設備的使用情況如圖9所示。

仿真結果表明，優化后下料彎管區的設備使用率有所提高，但由于彎管機換模時間相對于工序時間較長，由換模引起的等待時間也較長，因此為減少換模帶來的等待時間，同時避免齊套交付原則使下游等待時間過長，采取按周齊套性交付的原則進行了再次仿真，仿真時間如表6所示，產能如表7所示，設備的使用情況如圖10所示。

從優化后的仿真結果可知，按周齊套交付時，由于換模時間所占比例減小，核心的下料、彎管、切割、焊接設備的使用率均達到了95%以上，且每天的工作時間為正常的8h，不需加班，由于換模頻次減少，產能也進一步提升。

3.3 優化結果分析及結論

表8對比了上述不同生產組織方式下的仿真結果，按周齊套交付時設備使用率最高，產能最高，且可避免線外下游工序等待時間過長。因此，在滿足下游工序需求的前提下，建議該生產線的制造執行系統（MES）的生產計劃按周齊套進行生產線排產，一周之內的生產計劃由生產線管控系統依據生產線自身特點生成并反饋到MES形成天計劃，物料供應與成品轉工按照天計劃進行。

圖5 單套齊套交付設備使用情況Fig.5 Equipment utilization of single set delivery

圖7 僅在下料彎管區流轉的零件走向Fig.7 Trend of parts flowing in cutting and bending area

圖8 切割焊接單元單獨運行Fig.8 Cutting and welding unit run

圖9 優化后按天齊套設備使用情況Fig.9 Optimized equipment utilization by day

表4 按天齊套仿真時間Table 4 Simulation time by day

表5 優化后按天齊套生產線產能Table 5 Optimized production capacity by day

綜上，針對初次仿真后生產線瓶頸在切割、焊接兩個工序，且下料彎管區的節拍明顯快于切割焊接區的節拍，本文對生產線布局進行了優化，將生產線分為了快節拍的下料彎管區和慢節拍的切割焊接區，中間通過自動門隔斷，兩區可分別單獨運行，并在快節拍的下料彎管區增加半成品出線口，在此基礎上，增加了僅經過下料、彎管單元的兩種工藝路線，實現導管半成品零件出線，解決了生產線節拍不均衡的問題，充分利用了下料彎管區的剩余產能。針對彎管機換模引起的等待時間較長、設備使用率不高的問題，在避免線外下游工序等待時間過長的情況下，提出了按周齊套交付的解決方案。針對上述優化方案進行了再次仿真，結果表明優化方案具有可行性，優化后關鍵工序的設備使用率都達到了95%以上，全年成品零件產能可提升232件，且較生產線初始布局可增加45936件半成品零件，充分實現了該導管生產線設備利用率最優化、產能最大化。

表6 按周齊套仿真時間Table 6 Simulation time by week

表7 優化后按周齊套生產線產能Table 7 Optimized production capacity by week

表8 不同生產組織方式對比Table 8 Comparison of different production organization

圖10 優化后按周齊套設備使用情況Fig.10 Optimized equipment utilization by week

4 結論

傳統飛機導管生產線以人工操作為主，質量一致性差，生產效率低、周期長，難以滿足現代飛機的研制需求，自動化生產線通過一系列數字化手段保證產品的一致性、質量穩定性，提高了生產效率。為滿足現代飛機導管的生產需求，本文針對某型飛機導管自動化生產線，進行了生產線的規劃和仿真，分析了生產線瓶頸、產能和設備利用率，為該生產線的布局優化、工藝路線優化和生產組織方式提供了建議，優化方案可以有效提升設備使用效率，縮短制造周期，滿足產能需求。通過本文的應用研究可以看出，生產線規劃仿真在航空產品的加工、裝配中有很大的應用潛力，對生產線的規劃和優化具有直接的指導意義和重要的參考價值。

隨著航空制造業市場需求的變化，生產方式向多品種、小批量、訂單式方向轉變，對生產線也提出了多變性、動態性等要求，企業需耗費大量資金進行生產線建設或改造。基于仿真的生產線規劃作為優化生產線、縮短生產周期、提高資源利用率的關鍵支撐技術，已逐漸成為生產線建設或改造前必不可少的一項工作，對降低企業成本、快速響應市場需求起到重要作用。隨著信息化、網絡化技術的不斷升級，生產線規劃仿真技術也將更加成熟，為數字化工廠的實現提供有效解決方案的同時，推動制造過程自動化和智能化水平的提升。